遼寧工業(yè)大學(xué)電子與信息工程學(xué)院 杜三元 孟麗囡

蓄電池四階段快速充電器的研究與設(shè)計(jì)

遼寧工業(yè)大學(xué)電子與信息工程學(xué)院 杜三元 孟麗囡

蓄電池的使用就必須要充電，而不正確的充電方法會延長充電時(shí)間、損害蓄電池，嚴(yán)重縮短蓄電池的壽命。對于蓄電池的充電問題，本文在已有充電法的基礎(chǔ)上研究了一種四階段快速充電法，并完成了四階段充電法充電器的軟硬件設(shè)計(jì)。結(jié)果表明基于此充電法的充電器充電時(shí)間短、效率高，更接近于蓄電池理想充電特性，能很大程度上延長蓄電池的使用壽命。

蓄電池；四階段快速充電；充電器

1 引言

自蓄電池問世一百多年來,由于性能穩(wěn)定、價(jià)格便宜以及綠色環(huán)保等被應(yīng)用到各行各業(yè),特別是在新能源發(fā)電的儲能系統(tǒng)中大量應(yīng)用[1]。然而,蓄電池的充電對電池自身的壽命影響最大,蓄電池的壽命和性能又直接影響著所應(yīng)用整個(gè)系統(tǒng)的性能及壽命,所以研究蓄電池充電是很重要的。為了縮短充電時(shí)間、改善充電效率、延長蓄電池使用壽命、減少資源浪費(fèi),一種高效、快速及合理的充電方法和充電器是必要的。

2 蓄電池充電方法

2.1 已有充電方法

目前已有蓄電池充電方法一般有以下幾種[2]。

(1)恒壓充電法。充電過程中用恒定的電壓對蓄電池充電即為恒壓充電。此法簡單實(shí)用,目前應(yīng)用較多;但是此法的恒定電壓較難選擇,若太大充電初期易損害蓄電池且后期可能會出現(xiàn)過充,若太小則充電時(shí)間長、效率低。

(2)恒流充電法。同恒壓法用恒定的電流來進(jìn)行充電為恒流充電法。此法同樣恒定電流較難選擇,充電初期存在大電流沖擊,后期析氣嚴(yán)重、對極板沖擊大,溫升較快、且充電時(shí)間長。

(3)恒壓限流法。此法是在恒壓充電的過程中用合適方法(如串入熱敏電阻)限制電流逐漸減小,基本符合馬斯充電特性。但是充電初期會有大電流大電壓,如果遇到蓄電池過放電會嚴(yán)重?fù)p壞蓄電池。

(4)階段充電法。階段充電法目前有兩階段和三階段充電,兩階段充電是先恒流后恒壓限流的方式充電,三階段是在兩階段的基礎(chǔ)上增加了一個(gè)小電壓小電流的的浮充階段,防止了蓄電池自放電和過沖的發(fā)生,三階段充電效果較好但實(shí)現(xiàn)有一定的難度。

(5)脈沖充電法[4]。此法是將充電電壓和電流變?yōu)槊}沖的形式來充電,這樣短時(shí)間的停充或放電為下一次充電做好了準(zhǔn)備,加快了充電速度,適用于需快速充電的場合。

(6)智能充電法。此法是利用目前前沿的控制技術(shù),利用智能控制如模糊控制、人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制等按照蓄電池可接受充電曲線來完成充電,旨在更進(jìn)一步的提高充電效率、延長蓄電池壽命,充電效果理想,但是控制復(fù)雜。

(7)均衡充電。均衡充電是主要針對蓄電池組而提出的,用來解決蓄電池組中由于電池個(gè)體之間電壓、容量差異性引起的不均衡問題。

以上為現(xiàn)階段基本的蓄電池充電方法,每一種充電方法都有各自的優(yōu)缺點(diǎn),每一種充電法適用于不同的充電場合,因具體情況而選擇。

2.2 四階段快速充電法

綜上述幾種充電法的優(yōu)缺點(diǎn),本研究設(shè)計(jì)中使用一種四階段快速充電法[5],分別為:預(yù)充階段、脈沖快速階段、繼續(xù)充電階段以及浮充階段,充電過程曲線示意如圖1所示,各階段如下所述:

而對于任意A=(a1,a2,...a3∈F(U),能夠?qū)ζ渲械木€性變換TR：F(U)→F(V)，A→TR(A)=A·B=B=(b1,b2,···,bm)F(V)，TR屬于模糊關(guān)系。

(1)預(yù)充階段0-t1:此階段是設(shè)定一個(gè)閥值,當(dāng)蓄電池端電壓低于此閥值時(shí),充電過程以一個(gè)低電壓、小而穩(wěn)定的電流I0進(jìn)行,主要是為了防止蓄電池在過放電狀態(tài)下大電流對其造成的沖擊和熱失控,并且小電流有利于激活鉛酸蓄電池內(nèi)的反應(yīng)物,回復(fù)部分受損的蓄電池單元。預(yù)充階段隨著蓄電池端電壓逐漸上升和可接受電流的增大,到設(shè)定值時(shí)轉(zhuǎn)入下一階段;

(2)脈沖快速充電階段t1-t2:經(jīng)過上一階段的預(yù)充充電,蓄電池充電電流達(dá)到接受范圍,因此本階段用一個(gè)大的脈沖電流I1來充電,I1因蓄電池容量而異,通常I1=0.1C(C為蓄電池容量),暫短的停充為下一次大電流充電做好了準(zhǔn)備,加快了充電速度;

(3)繼續(xù)充電階段t2-t3:到此階段時(shí)蓄電池快要達(dá)到100%荷電狀態(tài),因此,本階段用一個(gè)恒定的電壓U1、逐漸減小的電流充電,旨在減小充電后期析氣和溫升的發(fā)生;

(4)浮充階段t3-t4:進(jìn)入此階段就預(yù)示著蓄電池基本已經(jīng)充滿,因而本階段用一個(gè)小電流稍低于U1的電壓U2來維持充電,防止蓄電池的自放電和過充,促進(jìn)鉛酸蓄電池的氧復(fù)合循環(huán)。

圖1 四階段快速充電示意圖

3 充電器軟硬件的實(shí)現(xiàn)

3.1 充電器硬件電路制作

基于上述四階段快速充電方法的充電器,電路大體上可分為:以單片機(jī)為核心的控制電路部分、UC3843驅(qū)動的功率變換電路部分、數(shù)碼管顯示部分、LM7805基準(zhǔn)電源電路模塊等,充電器總體電路結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 充電器電路總體結(jié)構(gòu)圖

電路中二極管整流濾波電路采用常見的橋式整流加電容濾波電路做成;功率變換電路采用隔離型反激式變換器,此電路中變壓器不僅能做到電氣安全,而且可實(shí)現(xiàn)多輸入輸出的結(jié)構(gòu),簡化了電路結(jié)構(gòu),電路中開關(guān)管選用W9NK90Z,其最大電流為8A,電路中有兩個(gè)開關(guān)管,其一是DC/DC變換器的開關(guān)MOS1,通過調(diào)節(jié)MOS1占空比來調(diào)整充電電壓電流大小,其二是脈沖充電的開關(guān)MOS2,通過控制MOS2的通斷實(shí)現(xiàn)快速脈沖充電;LM7805為基準(zhǔn)電源模塊,給單片機(jī)、數(shù)碼管、散熱器以及譯碼器等提供電源;PC871光耦在電路中起到了反饋的作用,利用光耦的亮度來調(diào)節(jié)UC3843的VFB,從而改變輸出占空比; 74LS164結(jié)合數(shù)碼管顯示單片機(jī)輸出信息;UC3843為DC/DC變換器提供驅(qū)動,通過光耦的反饋信息來調(diào)節(jié)其輸出占空比,從而改變充電電壓和電流,UC3843的工作電壓直接由隔離變壓器的輔助繞組經(jīng)降壓得到;電路中核心部分單片機(jī)采用STC12C5620AD,通過對蓄電池端電壓的采集、判斷和輸出,實(shí)現(xiàn)四階段充電的控制,同時(shí)完成輸入過流保護(hù)、充電過壓/過流保護(hù)以及過熱保護(hù),確保充電器電路故障斷電報(bào)警。電壓和電流采樣電路如圖3、4所示。

圖3 電壓采樣電路

圖4 電流采樣電路

3.2 充電器軟件實(shí)現(xiàn)

四階段快速充電器的控制是以單片機(jī)編程來完成的,主要包括主程序、四階段快速充電控制程序、以及顯示控制程序等。主程序完成單片機(jī)I/O口初始化、A/D轉(zhuǎn)換模塊及故障保護(hù)等控制;顯示控制程序是將充電狀態(tài)顯示在數(shù)碼管、LED燈及蜂鳴器上,使充電信息跟直觀化;四階段快速充電程序是通過采集到的信息改變PWM占空比使電路工作在不同的充電階段,其程序流程圖如圖5所示。

圖5 四階段快速充電程序流程圖

圖6 四階段快速充電器硬件電路圖

3.3 實(shí)驗(yàn)及分析

正確連接如上所述各模塊電路,并且按照電路需求選擇合適的元器件參數(shù),繪制原理圖和PCB圖完成充電器硬件電路的焊接,最終充電器硬件電路如圖6所示,最后將控制程序下載到單片機(jī)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)測試。

充電器輸入為交流220V/50Hz,最大輸出電壓為16V,最大輸出電流為2A,所以試驗(yàn)中可選用一塊12V/12Ah的鉛酸蓄電池為充電對象,查資料可知使用恒壓或三階段充電器,充滿此款電池需10到12個(gè)小時(shí)。實(shí)驗(yàn)中當(dāng)檢測到蓄電池端電壓低于8V時(shí)進(jìn)行預(yù)充充電,然后依次進(jìn)行各階段充電,使用本充電器充滿此款鉛酸蓄電池總共用時(shí)7小時(shí)25分鐘,可見比起恒壓和三階段充電器大大縮短了充電時(shí)間。

4 總結(jié)

以上針對鉛酸蓄電池的充電問題,研究了一種四階段快速充電的方法,并且基于此方法以單片機(jī)為主控和反激變換器為主電路設(shè)計(jì)了充電器電路,完成了硬件制作和軟件編寫,進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)測試。結(jié)果表明四階段快速充電器采用開關(guān)電源電路結(jié)構(gòu)簡單、控制簡單、損耗小,最主要的是充電時(shí)間短、效率高,此充電方法更接近于蓄電池理想充電特性,減少了充電對電池的損害,延長了蓄電池使用壽命。

［1］張寶凱.基于單片機(jī)的蓄電池智能充放電控制器的研究［D］.大連海事大學(xué).

［2］劉鵬飛,錢炯凱,等.基于89C52的智能型快速充電器的設(shè)計(jì)［J］.應(yīng)用能源技術(shù), 2014,08(13):50-53.

［3］李興寧,朱健.智能型蓄電池充電器的設(shè)計(jì)［J］.電源技術(shù)應(yīng)用,2011,14(5):21-23.

［4］李淑芳.鉛酸蓄電池快速充電器設(shè)計(jì)與研究［D］.蘭州:蘭州交通大學(xué).

［5］王萌萌,劉斌,王丹.基于單片機(jī)的脈沖快速充電系統(tǒng)研究［J］.計(jì)算機(jī)測量與控制,2013,21(8):2213-2216.

杜三元（1990—），男，碩士研究生，主要研究方向：現(xiàn)代電力電子應(yīng)用技術(shù)。

孟麗囡（1967—），女，副教授，研究生導(dǎo)師，主要研究方向：電力電子技術(shù)。